Download Transferencia de Calor por Convección

 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
 FRANCISCO DE MIRANDA
 AREA DE TECNOLOGÍA
 DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA
 UNIDAD CURRICULAR: TRANSFERENCIA DE CALOR
Convección
Profesor: Ing. Isaac Hernández
[email protected]
Contenido
•Mecanismo físico de la convección
•Aspectos fundamentales de la Convección
Natural
• Convección externa forzada
•Fricción y Transferencia de Calor
• Flujo paralelo sobre placas planas
•Flujo a través de cilindros y esferas
•Flujo a través de bancos de tubos
•Convección interna forzada
•Velocidad media y temperatura media Región
de entrada
•Análisis Térmicos
•Flujo laminar en tubos – Flujo turbulento en
tubos
Convección
Convección Forzada: el movimiento del fluido es
generado por fuerzas impulsoras externas. Por
ejemplo: aplicación de gradientes de presión
con una bomba, un soplador, etc.
Convección Natural: el movimiento del fluido
es generado por variaciones de densidad. Estas
a su vez pueden ser producidas por la existencia
de
gradientes
de
temperatura
o
de
concentración en el seno del fluido.
Cuando no hay presencia de un fluido en
movimiento no hay convección
Convección
La transferencia de calor por convección depende de las
propiedades del fluido:
Viscosidad dinámica (μ),
Conductividad termina (k),
Densidad (ρ),
Calor específico (Cp)
así como de la velocidad del fluido (V).
También depende la configuración geométrica
y aspereza de la superficie solida y
tipo de flujo
Turbulento).
del
fluido
(Laminar
o
Convección
La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley
del Enfriamiento de Newton:
Donde (h) es el coeficiente de convección
(A) área del cuerpo en contacto con el fluido,
(T sup)es la temperatura en la superficie del
cuerpo
(T α) es la temperatura del fluido lejos del cuerpo.
Convección
A mendo el flujo de fluido se confina por
medio de superficies solidas y es importante
entender la manera en que estas superficies
afectan
al
flujo.
Las
observaciones
experimentales indican que un fluido en
movimiento llega a detenerse por completo en
la superficie y toma una velocidad cero con
respecto a la última. Es decir, un fluido en
contacto directo con un sólido se adhiere a la
superficie debido a los efectos viscosos, por lo
tanto no desliza. Esto se conoce como la
condición de no deslizamiento
Convección
La condición de no deslizamiento hace que la
transferencia de calor de la superficie del solido
hacia el fluido adyacente a se de por
conducción pura, ya que esta capa del fluido
esta inmóvil y se puede expresar como:
Convección
La transferencia de calor por convección
de una superficie solida a un fluido es
simplemente la transferencia de calor por
conducción de su superficie a la capa del
fluido adyacente. Por lo tanto se pueden
igualar las ecuaciones de conducción y
convección para obtener:
En las proximidades de la superficie de
un sólido,
Convección
Numero de Nusselt.
Es un número adimensional que mide el
aumento de la transmisión de calor desde
una superficie por la que un fluido discurre
(transferencia de calor por convección)
comparada con la transferencia de calor si
ésta ocurriera solamente por conducción.
Nu es un mejoramiento de la transferencia
de calor a través de una capa de fluido como
resultado de la convección en relación de la
conducción a través de la misma capa
En las inmediaciones de un contorno sólido,
Convección
Clasificación de los flujos de fluidos
Viscoso y no viscoso
Interno y externo
Compresible e incompresible
Laminar y turbulento
Natural y forzado
Estacionario y transitorio
Unidimensional, bidimensional y tridimensional
Convección
Capa límite de velocidad
Convección
Esfuerzo cortante superficial
La capa de un fluido en contacto con una
superficie, tratara de arrastrar a la placa por
efecto de la fricción, al ejercer una fuerza de
fricción sobre ella. De modo semejante la
capa superior que es más rápida trata de
arrastrar a la posterior más lenta, ejerciendo
una fuerza de fricción entre las dos por
unidad
Cortante,
de
la
área
cual
denominada
es
gradiente de velocidad.
Esfuerzo
proporcional
al
Cf = Coeficiente de fricción
Convección
Capa limite térmica
Un fluido que fluye a una temperatura Tα
sobre una placa que se encuentra a una
temperatura Ts, las partículas de dicho
fluido en la capa adyacente a la superficie
alcanzan un equilibrio térmico con la placa
debido a el contacto directo u el factor de no
deslizamiento la temperatura del fluido en
ese punto es igual a la de la placa (Tα = Ts).
El perfil de la capa limite térmica impone la
transferencia de calor por convección.
Convección
Numero de Prandtl
Describe el espesor relativo de la capas
límites de velocidad y térmicas de forma
adimensional y está definido como:
Donde:
µ = Viscosidad dinámica
Cp.= Calor especifico del fluido
K = Conductividad térmica del fluido
Convección
Flujo laminar y turbulento.
los flujos de fluidos siguen líneas de
corrientes suaves a velocidades bajas, pero se
vuelven caóticos conforme incrementa la
velocidad En el primer caso se dice que el
flujo es laminar, caracterizado por líneas
suaves de corriente y un movimiento
altamente ordenado; mientras que en el
segundo caso se dice que es
turbulento,
desordenado.
caracterizado
un flujo
por
ser
Convección
Numero de Reynolds
El
número
de
Reynolds
relaciona
la
densidad, viscosidad, velocidad y dimensión
típica de un flujo en una expresión
adimensional, que interviene en numerosos
problemas de dinámica de fluidos. Dicho
número
o
combinación
adimensional
aparece en muchos casos relacionado con el
hecho de que el flujo pueda considerarse
laminar (número de Reynolds pequeño) o
turbulento (número de Reynolds grande).
Convección
Convección
Convección Externa Forzada
la convección externa forzada es
aquel
mecanismo
de
transferencia de calor entre una
superficie
y
un
fluido
Placas Planas
con
movimiento que fluye alrededor
de la misma, el cual es forzado a
circular a través de esta por algún
equipo donde se hace variar la
presión del fluido de trabajo.
Banco de tubos
Esferas y cilindros
Convección
Convección Externa Forzada placas planas
El flujo en la capa limite se inicia como
laminar pero si la placa es suficientemente
larga, el flujo se volverá turbulento a una
distancia x, donde el numero de Reynolds
alcanza un valor critico. El número de
Reynolds a una distancia x para una placa
plana se expresa como:
Coeficiente de fricción
Convección
Convección Externa Forzada en cilindros y esferas
El numero de Re, para superficies de este
tipo esta denominado por:
Re = VD/v, donde V es la velocidad uniforme
del fluido al aproximarse al cilindro o esfera.
El número de Reynolds crítico para el flujo
que pasa a través de un cilindro circular o
una esfera es alrededor
Convección
Convección Externa Forzada en banco de tubos
Alineados
Escalonados
Convección
Convección Externa Forzada en banco de tubos alineados
Convección
Convección Externa Forzada en banco de tubos escalonados
Convección
Numero de Nusselt en banco de tubos
Se han propuesto varias correlaciones, todas basadas en datos experimentales para
el número de Nusselt promedio del flujo cruzado sobre bancos de tubos se dan en
la tabla a continuación
Convección
Numero de Nusselt en banco de tubos
Una vez que se conoce el número de Nusselt
y por lo tanto el coeficiente de transferencia
de calor promedio para el banco de tubos se
puede determinar la razón de transferencia
de calor a partir de la ley de enfriamiento de
Newton,
mediante
una
temperaturas apropiadas ΔT.
diferencia
de
Convección
Caída de presión en banco de tubos alineados
Convección
Caída de presión en banco de tubos escalonados
Convección
Convección interna forzada
Para este caso particular, el fluido esta
confinado, por las superficies que lo
rodean por lo cual
la capa limite no
puede desarrollarse de forma indefinida,
por lo cual existe una restricción del
desarrollo de la capa limite, Por lo que las
relaciones del Nu con respecto al Re
varia, por consiguiente el coeficiente de
transferencia de calor por convección h
Convección
Flujo laminar en tubos
El perfil laminar de velocidades en una
tubería tiene forma de una parábola, (ver
figura), donde la velocidad máxima se
encuentra en el eje del tubo y la velocidad es
igual a cero en la pared del tubo. En este
caso, la pérdida de energía es proporcional a
la velocidad media.
Donde:
Vm: velocidad media del fluido
D: diámetro de tubo
Ѵ: μ/ρ es la viscosidad cinemática del fluido.
Para el flujo en tubo circular el número
de Reynolds se define como:
Convección
Flujo laminar en tubos
Para el flujo por tubos no circulares, el
numero de Reynolds así como el numero de
Nusselt y el factor de fricción se basan en el
diámetro hidráulico Dh de finido como:
Donde:
Ac: área de sección transversal del tubo.
P: perímetro
Convección
Flujo turbulento en tubos
Resulta conveniente tener valores precisos
de los números de Reynolds para los flujo
laminar de transición y turbulento, pero, en
la práctica, este no es el caso esto de debe a
que la transición de flujo laminar o
turbulento también depende del grado de
perturbación que ese flujo recibe por parte
de
la
aspereza
de
la
superficie,
Nu= (h . D) / k
las
vibraciones del tubo y las fluctuaciones en el
flujo el cual es turbulento para Re>10000,
Nu= 0.125 . Ƒ . Re . (Pr)1/2
Q.conv= h . As . ΔT